Projektowanie prawdziwego konwertera RMS na DC przy użyciu IC AD736

True-RMS lub TRMS to typ konwertera, który konwertuje wartość RMS na równoważną wartość DC. W tym samouczku dowiemy się o prawdziwym konwerterze RMS na DC, jak działa i jak metody pomiarowe mogą wpływać na wyświetlane wyniki.

Co to jest RMS?

RMS to skrót od Root Mean Square. Z definicji dla przemiennego prądu elektrycznego wartość skuteczna RMS jest równoważna napięciu stałemu, które przekazuje taką samą ilość mocy do rezystora.

Układ scalony True RMS AD736

IC AD736 ma kilka funkcjonalnych podsekcji, takich jak wzmacniacz wejściowy, prostownik pełnookresowy (FWR), rdzeń RMS, wzmacniacz wyjściowy i sekcja bias. Wzmacniacz wejściowy zbudowany jest z tranzystorów MOSFET, więc odpowiada za wysoką impedancję tego układu.

Za wzmacniaczem wejściowym mamy precyzyjny prostownik pełnookresowy, który napędza rdzeń RMS. Podstawowe operacje RMS polegające na podniesieniu do kwadratu, uśrednieniu i zakorzenieniu kwadratowym są wykonywane w rdzeniu za pomocą zewnętrznego kondensatora uśredniającego CAV. Należy pamiętać, że bez CAV wyprostowany sygnał wejściowy przechodzi przez rdzeń w stanie nieprzetworzonym.

Wreszcie wzmacniacz wyjściowy buforuje sygnał wyjściowy z rdzenia RMS i umożliwia opcjonalne filtrowanie dolnoprzepustowe za pośrednictwem zewnętrznego kondensatora CF, który jest podłączony w poprzek ścieżki sprzężenia zwrotnego wzmacniacza.

Cechy IC AD736

Funkcje układu scalonego są wymienione poniżej
Wysoka impedancja wejściowa: 10 ^ 12 Ω
Niski prąd polaryzacji wejściowej: maksymalnie 25 pA
Wysoka dokładność: ± 0,3 mV ± 0,3% odczytu
Konwersja RMS ze współczynnikami szczytu sygnału do 5
Szeroki zakres zasilania: +2,8 V, −3,2 V do ± 16,5 V.
Niska moc: maksymalny prąd zasilania 200 µA
Buforowane wyjście napięciowe
Dla określonej dokładności nie są potrzebne żadne zewnętrzne trymery

Uwaga: Należy pamiętać, że schemat blokowy funkcjonalny, opis funkcjonalny i lista funkcji pochodzą z arkusza danych i są modyfikowane zgodnie z potrzebami.

Metody pomiaru True RMS do DC

Dostępne są głównie trzy metody, których DVM używa do pomiaru prądu przemiennego, są to:

Pomiar True-RMS
Średni rektyfikowany pomiar
Pomiar True-RMS AC + DC

Pomiar True-RMS

True-RMS to dość powszechna i popularna metoda pomiaru sygnałów dynamicznych o wszystkich kształtach i rozmiarach. W multimetrze True-RMS multimetr oblicza wartość RMS sygnału wejściowego i wyświetla wynik. Dlatego jest to bardzo dokładne porównanie do średniej rektyfikowanej metody pomiaru.

Średni rektyfikowany pomiar

W średniej rektyfikowanej DVM pobiera średnią lub średnią wartość sygnału wejściowego i mnoży ją przez 1,11 i wyświetla wartość RMS. Możemy więc powiedzieć, że jest to średni multimetr z rektyfikowanym wyświetlaczem RMS.

Pomiar True-RMS AC + DC

Aby wyeliminować luki w multimetrze True-RMS, istnieje metoda pomiaru True-RMS AC + DC. Gdybyś miał zmierzyć sygnał PWM multimetrem True-RMS, odczytasz niewłaściwą wartość. Zrozummy tę metodę za pomocą niektórych formuł i wideo, znajdź wideo na końcu tego samouczka.

Kalkulacja dla konwertera True RMS

Wartość RMS

Wzór do obliczania wartości RMS opisano jako

Jeśli zrobimy rachunek, biorąc pod uwagę

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Sprowadza się to do

Vm / (2) ^1/2

Średnia wartość

Wzór do obliczania wartości średniej opisano jako

Jeśli zrobimy rachunek, biorąc pod uwagę

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Sprowadza się to do

2Vm / ᴫ

Przykład obliczenia True RMS na przetwornicę DC

Przykład 1

Jeśli weźmiemy pod uwagę napięcie międzyszczytowe 1 V i umieścimy je we wzorze na obliczenie napięcia RMS, które wynosi, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 = 0,707 V.

Teraz rozważając napięcie międzyszczytowe 1 V i umieszczając je we wzorze na obliczenie średniego napięcia, które wynosi, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Dlatego w nieprawdziwym RMS DVM wartość jest kalibrowana przez współczynnik 1,11, który pochodzi z VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11V

Przykład 2

Teraz mamy od szczytu do szczytu czystą sinusoidę prądu przemiennego o wartości 5 V i bezpośrednio przesyłamy ją do DVM, który ma rzeczywiste możliwości RMS, ponieważ obliczenia byłyby następujące

VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535V

Teraz mamy szczytową falę sinusoidalną prądu przemiennego o wartości 5 V od szczytu do szczytu i podajemy ją bezpośrednio do DVM, który jest średnią rektyfikowaną DVM, ponieważ obliczenia byłyby następujące:

VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183V

W tym momencie wartość pokazana w średniej DVM nie jest równa wartości RMS DVM, więc producenci na stałe zakodują współczynnik 1,11 V, aby skompensować błąd.

Tak się stało, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535 V.

Tak więc z powyższych wzorów i przykładów możemy udowodnić, jak nieprawdziwy multimetr RMS oblicza napięcie AC.

Ale ta wartość jest dokładna tylko dla czystego przebiegu sinusoidalnego. Widzimy więc, że potrzebujemy prawdziwego RMS DVM, aby prawidłowo zmierzyć przebieg niesinusoidalny. W przeciwnym razie otrzymamy błąd.

O czym należy pamiętać

Przed wykonaniem obliczeń dla praktycznego zastosowania, należy znać kilka faktów, aby zrozumieć dokładność pomiaru napięć skutecznych za pomocą układu scalonego AD736.

Arkusz danych AD736 mówi o dwóch najważniejszych czynnikach, które należy wziąć pod uwagę przy obliczaniu procentowego błędu, jaki ten układ scalony wytworzy podczas pomiaru wartości RMS.

Pasmo przenoszenia
Współczynnik szczytu

Pasmo przenoszenia

Obserwując krzywe na wykresie, możemy zauważyć, że odpowiedź częstotliwościowa nie jest stała z amplitudą, ale im niższa amplituda mierzona na wejściu układu scalonego przekształtnika, spada, aw dolnych zakresach pomiarowych przy około 1mv, nagle spada o kilka kHz.

Arkusz danych zawiera pewne dane liczbowe na ten temat, które można zobaczyć poniżej

Limit dokładności pomiaru wynosi 1%

Widzimy więc wyraźnie, że jeśli napięcie wejściowe wynosi 1 mv, a częstotliwość 1 kHz, to już osiąga dodatkowy znak błędu 1%. Zakładam, że teraz możesz zrozumieć pozostałe wartości.

UWAGA: Krzywa odpowiedzi częstotliwościowej i tabela pochodzą z arkusza danych.

Współczynnik szczytu

Mówiąc prościej, współczynnik szczytu to stosunek wartości szczytowej podzielonej przez wartość skuteczną.

Współczynnik szczytu = VPK / VRMS

Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę czystą falę sinusoidalną o amplitudzie

VRMS = 10V

Napięcie szczytowe staje

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Widać to wyraźnie na poniższym obrazku zaczerpniętym z Wikipedii

Poniższa tabela z arkusza danych mówi nam, że jeśli obliczony współczynnik szczytu wynosi od 1 do 3, możemy spodziewać się dodatkowego błędu 0,7%, w przeciwnym razie musimy wziąć pod uwagę 2,5% dodatkowego błędu, który jest prawdziwy dla sygnału PWM.

Schemat dla prawdziwego konwertera RMS używającego IC AD736

Poniższy schemat konwertera RMS pochodzi z arkusza danych i jest modyfikowany zgodnie z naszymi potrzebami.

Wymagane składniki

Sl.No	Części	Rodzaj	Ilość
1	AD736	IC	1
2	100 tys	Rezystor	2
3	10uF	Kondensator	2
4	100uF	Kondensator	2
5	33uF	Kondensator	1
6	9V	Bateria	1
7	Przewód o pojedynczym przekroju	Ogólny	8
8	Transformator	0 - 4,5V	1
9	Arduino Nano	Ogólny	1
10	Płytka prototypowa	Ogólny	1

Przetwornik True RMS na DC - praktyczne obliczenia i testy

Do demonstracji wykorzystuje się następującą aparaturę

Multimetr Meco 108B + TRMS
Multimetr Meco 450B + TRMS
Oscyloskop Hantek 6022BE

Jak pokazano na schemacie, używany jest tłumik wejściowy, który jest w zasadzie obwodem dzielnika napięcia do tłumienia sygnału wejściowego układu scalonego AD736, ponieważ napięcie wejściowe w pełnej skali tego układu wynosi 200 mV MAX.

Teraz, gdy mamy już jasne podstawowe fakty dotyczące obwodu, zacznijmy obliczenia dla obwodu praktycznego.

Obliczenia RMS dla fali sinusoidalnej 50 Hz AC

Napięcie transformatora: 5,481 V RMS, 50 Hz

Wartość rezystora R1: 50,45 K.

Wartość rezystora R1: 220R

Napięcie wejściowe transformatora

Teraz, jeśli umieścimy te wartości w kalkulatorze dzielnika napięcia online i obliczymy, otrzymamy napięcie wyjściowe 0,02355 V LUB 23,55 mV

Teraz można wyraźnie zobaczyć wejście i wyjście obwodu.

Po prawej stronie multimetr Meco 108B + TRMS pokazuje napięcie wejściowe. To jest wyjście obwodu dzielnika napięcia.

Po lewej stronie multimetr Meco 450B + TRMS pokazuje napięcie wyjściowe. To jest napięcie wyjściowe z układu scalonego AD736.

Teraz widać, że powyższe obliczenia teoretyczne i oba wyniki multimetru są zbliżone, więc dla czystej fali sinusoidalnej potwierdza teorię.

Błąd pomiaru w obu wynikach multimetrów wynika z ich tolerancji i dla demonstracji używam wejścia sieciowego 230V AC, które zmienia się bardzo szybko w czasie.

Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości, możesz powiększyć obraz i zobaczyć, że multimetr Meco 108B + TRMS jest w trybie AC, a multimetr Meco 450B + TRMS w trybie DC.

W tym momencie nie zawracałem sobie głowy użyciem mojego oscyloskopu hantek 6022BL, ponieważ oscyloskop jest prawie bezużyteczny i pokazuje tylko szum przy tych niskich poziomach napięcia.

Obliczenia dla sygnału PWM

Dla celów demonstracyjnych sygnał PWM jest generowany za pomocą Arduino. Napięcie na płytce Arduino wynosi 4,956V, a częstotliwość to prawie 1 kHz.

Maksymalne napięcie płyty Arduino: 4,956 V, 989,3 Hz

Wartość rezystora R1: 50,75 K.

Wartość rezystora R1: 220R

Napięcie wejściowe na płycie Arduino

Teraz umieść te wartości w kalkulatorze dzielnika napięcia online i oblicz, otrzymamy napięcie wyjściowe 0,02141 V LUB 21,41 mV.

Jest to napięcie szczytowe wejściowego sygnału PWM i aby znaleźć napięcie RMS, musimy po prostu podzielić je przez √2, aby obliczenia stały się

VRMS = Vm / √2 = 0,02141 / √2 = 0,01514V lub 15,14mV

Teoretycznie multimetr True-RMS z łatwością będzie w stanie obliczyć tę teoretycznie obliczoną wartość, prawda?

W trybie DC

W trybie AC

Transformator na obrazku siedzi tam i nic nie robi. Po tym widać, że jestem bardzo leniwą osobą.

Więc jaki jest problem?

Zanim ktokolwiek skoczy i powie, że wykonaliśmy obliczenia źle, powiem ci, że wykonaliśmy obliczenia poprawnie, a problem tkwi w multimetrach.

W trybie prądu stałego multimetr po prostu bierze średnią sygnału wejściowego, który możemy obliczyć.

Tak więc napięcie wejściowe wynosi 0,02141 V i aby uzyskać średnie napięcie, po prostu mnoży wartość przez 0,5.

Więc obliczenie wygląda następująco:

VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705 V lub 10,70 mV

I to właśnie otrzymujemy na wyświetlaczu multimetru.

W trybie AC kondensator wejściowy multimetru blokuje składowe DC sygnału wejściowego, więc obliczenia stają się prawie takie same.

Jak widać wyraźnie, w tej sytuacji oba odczyty są całkowicie błędne. Więc nie możesz ufać wyświetlaczowi multimetru. Dlatego istnieją multimetry z funkcją True RMS AC + DC, które mogą łatwo i dokładnie mierzyć tego rodzaju przebiegi. Na przykład extech 570A to multimetr z funkcjami True RMS AC + DC.

AD736 jest typu układu scalonego, który jest używany do pomiaru tych typów sygnałów wejściowych dokładnie. Poniższy obraz jest dowodem teorii.

Teraz obliczyliśmy napięcie RMS na 15,14 mV. Ale multimetr pokazuje 15,313mV, ponieważ nie uwzględniliśmy współczynnika szczytu i odpowiedzi częstotliwościowej układu scalonego AD736.

Ponieważ obliczyliśmy współczynnik szczytu, wynosi on 0,7% obliczonej wartości, więc jeśli wykonamy obliczenia matematyczne, sprowadza się do 0,00010598 lub 0,10598 mV

Więc, Vout = 15,14 + 0,10598 = 15,2459 mV

Lub

Vout = 15,14 - 0,10598 = 15,0340 mV

Zatem wartość wyświetlana przez multimetr Meco 450B + wyraźnie mieści się w zakresie błędu 0,7%

Kod Arduino do generowania PWM

Prawie zapomniałem wspomnieć, że użyłem tego kodu Arduino do wygenerowania sygnału PWM z 50% cyklem pracy.

int OUT_PIN = 2; // wyjście fali prostokątnej z 50% cyklem pracy void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definiując pin jako wyjście} void loop () {/ * * jeśli zamienimy 500 mikrosekund na sekundy, otrzymamy 0,0005S * teraz, jeśli umieścimy to we wzorze F = 1 / T * otrzymamy F = 1 / 0,0005 = 2000 * pin jest włączony przez 500 uS i wyłączony przez 500 us, więc * częstotliwość staje się F = 2000/2 = 1000 Hz lub 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }

Możesz dowiedzieć się więcej o generowaniu PWM za pomocą Arduino tutaj.

Środki ostrożności

Układ scalony AD736 True RMS na DC jest zdecydowanie najdroższym 8-pinowym układem PDIP, z którym pracowałem.

Po całkowitym zniszczeniu jednego z ESD, podjąłem odpowiednie środki ostrożności i przywiązałem się do ziemi.

Ulepszenia obwodów

Na potrzeby demonstracji obwód wykonałem w płytce stykowej bez lutowania, co absolutnie nie jest zalecane. Dlatego błąd pomiaru wzrasta po pewnym zakresie częstotliwości. Układ ten wymaga właściwego PCB z właściwym s płaszczyźnie tar-gruntowych w celu poprawnego działania.

Zastosowania przetwornika True RMS na DC

Jest używany w

Woltomierze i multimetry o wysokiej precyzji.
Niezwykle precyzyjny niesinusoidalny pomiar napięcia.

Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten artykuł i nauczyłeś się z niego czegoś nowego. Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości, możesz zapytać w komentarzach poniżej lub skorzystać z naszych forów w celu szczegółowej dyskusji.

Szczegółowy film pokazujący cały proces obliczeniowy znajduje się poniżej.